Временная компрессия сверхкоротких световых импульсов с использованием вынужденного комбинационного рассеяния

Ермолаева, Елена Вячеславовна

Временная компрессия сверхкоротких световых импульсов с использованием вынужденного комбинационного рассеяния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Ермолаева, Елена Вячеславовна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Временная компрессия сверхкоротких световых импульсов с использованием вынужденного комбинационного рассеяния»

Автореферат диссертации на тему "Временная компрессия сверхкоротких световых импульсов с использованием вынужденного комбинационного рассеяния"

111111! IIIIIII ¡11

004603734

На правах рукописи

Ермолаева Елена Вячеславовна

ВРЕМЕННАЯ КОМПРЕССИЯ СВЕРХКОРОТКИХ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫНУЖДЕННОГО КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ

Специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2010

1 О КЮН 2010

Работа выполнена на кафедре фотоники и оптоинформатики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Беспалов В. Г.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Серебряков В.А., Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики

кандидат физико-математических наук, доцент Венедиктов В.Ю., Санкт-Петербургский государственный университет

Ведущая организация: Физический институт имени

П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН)

Защита диссертации состоится 17 июня 2010 года в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 в СПбГУ ИТМО по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, ауд. 285.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ ИТМО.

Автореферат диссертации разослан 17 мая 2010 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.02, доктор физико-математических наук, профессор

Козлов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ Аюуалыюсть темы

Одной из актуальных тем исследований в области лазерной оптики является получение сверхкоротких световых импульсов с высокой плотностью мощности. Интерес связан как с фундаментальными научными проблемами, например, с рождением электрон-позитронных пар из вакуума, так и с практическими приложениями, такими, как создание лазеров рентгеновского диапазона, плазменных ускорителей и т.д.

Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) является одним из эффективных методов генерации [1, 2], а также временной компрессии (временного сжатия) импульсов нано- и пикосекундной длительности [3]. Основной принцип временной компрессии при обратном вынужденном рассеянии заключается в том, что активную среду заполняет импульс накачки большой длительности, навстречу которому распространяется стоксов импульс значительно меньшей длительности. Переход энергии из импульса накачки в излучение на стоксовой частоте, возникающий в результате их встречного взаимодействия, приводит к усилению стоксова импульса при сохранении практически неизменной его временной формы. Исследования компрессии при обратных вынужденных рассеяниях с использованием нано- и пикосекундных импульсов проводились с середины 60-х годов прошлого столетия [4, 5], но, несмотря на большое количество работ по данной теме, возможность использования процесса ВКР для получения импульсов фемтосекундных длительностей осталась за их рамками.

Плотность мощности выходного излучения при ВКР генерации и компрессии мощных сверхкоротких импульсов ограничивается, как правило, возникновением оптического пробоя, и поэтому в качестве среды для ВКР компресии целесообразно использовать плазму - среду, которая сама создается во время оптического пробоя. В настоящее время особенности получения импульсов фемтосекундной длительности с использованием обратного ВКР в плазме только начинают исследоваться [6,7, АЗ].

Другой возможностью компрессии мощных лазерных импульсов пикосекундной длительности до фемтосекундной может быть использование попутного ВКР в сжатом газе. В данном диапазоне длительностей использование разницы групповых скоростей волн накачки и Стокса позволяет проводить эффективную временную компрессию лазерных световых импульсов в схеме попутного ВКР [8, А1]. При этом особенности использования этого механизма для генерации импульсов фемтосекундных длительностей, а также влияние поперечной структуры лазерного пучка

накачки на процесс формирования выходного усиленного и компрессированного сигнала на стоксовой частоте до сих пор подробно не исследовались.

Таким образом, актуальными по-прежнему являются анализ основных закономерностей процесса формирования фемтосекундных импульсов при временной компрессии при попутном и обратном ВКР в различных средах, поиск оптимальных значений параметров систем и взаимодействующих волн, а также выявление негативных факторов, снижающих эффективность генерации мощных сверхкоротких импульсов, и способы их подавления.

Цель диссертационной работы

Цель работы заключалась в изучении процессов компрессии мощных лазерных импульсов длительностью ~ 1...10 пс до фемтосекундного диапазона длительностей (~ 100 фс) при ВКР.

В ходе выполнения диссертационной работы решались следующие задачи:

1. Вывод систем уравнений, описывающих процессы (1) обратного ВКР в неоднородной плазме и (2) попутного ВКР в сжатом газе с учетом дифракционных эффектов.

2. Поиск и адаптация методов численного решения полученных систем интегро-дифференциальных уравнений и создание компьютерных программ численного моделирования процессов обратного и попутного ВКР.

3. Определение оптимальных условий процесса передачи энергии короткому стоксову импульсу при обратном ВКР в плазме.

4. Анализ влияния неоднородности среды и формы входного стоксова сигнала на эффективность ВКР компрессии лазерных импульсов в плазме.

5. Исследование влияния параметров среды и накачки на процесс компрессии при попутном ВКР в сжатом газе.

6. Выявление особенностей распространения лазерных пучков накачки в ВКР активной среде при компрессии, а также поиск оптимальных значений параметров лазерных пучков накачки для достижения наибольшей эффективности преобразования при попутном ВКР.

Научная новизна

Впервые показано, что при компрессии пикосекундных импульсов в плазме при обратном ВКР негативное влияние шумовой компоненты на

конечную форму импульса Стокса может быть скомпенсировано за счет неоднородности плазмы.

Впервые определена область оптимальных значений параметров -коэффициента стационарного ВКР и дисперсии групповых скоростей - для достижения наибольшей эффективности компрессии, и преобразования энергии при попутном ВКР в сжатом газе.

Впервые исследовано влияние дифракционных эффектов на компрессию и усиление стоксова пучка различной начальной формы при попутном ВКР. Показано, что в оптимальных условиях преобразования возможно получение на выходе среды одиночного стоксова пучка высокой мощности фемтосекундной длительности.

Научные положения, выносимые на защиту

1. При обратном ВКР пикосекундных импульсов в плазме наибольшая эффективность компрессии и коэффициента преобразования достигается в однородной плазме в стационарном режиме усиления.

2. В стационарном режиме обратной ВКР компрессии определено оптимальное значение степени неоднородности плотности плазмы, при котором наблюдается резкое увеличение эффективности компрессии и усиления, связанное с возрастанием волновой расстройки от передней к хвостовой части стоксового импульса и подавлением формирования нескольких пичков в стоксовом импульсе.

3. При обратном ВКР пикосекундных импульсов в однородной плазме наличие длинного предымпульса в коротком импульсе Стокса снижает эффективность компрессии и преобразования энергии. При использовании неоднородной плазмы негативное влияние предымпульса снижается. Определено оптимальное значение параметра неоднородности, при котором эффективность компрессии достигает максимума.

4. При попутном ВКР пикосекундных импульсов в газовых средах с нормальной дисперсией групповых скоростей в сверхрегенеративном (при начальной плотности мощности накачки выше порога ВКР) режиме компрессии, доля энергии, преобразованной из излучения накачки в излучение на стоксовой частоте, превышает 50% при длительности выходного стоксового импульса в 15-17 раз меньшей начальной длительности импульса накачки.

характеризуемых числами Френеля > 1, при обычных для сжатых газов коэффициентах усиления порядка 2 см/ГВт. Это обусловлено уменьшением влияния обратной перекачки энергии из волны Стокса в волну накачки и подавлением вторичных пиков в стоксовом импульсе.

Достоверность результатов

При решении дифференциальных уравнений, описывающих процессы ВКР, использовались стандартные численные схемы и методы: метод Рунге-Кутта второго порядка, метод расщепления по координатам, метод конечных элементов. Для проверки правильности и адекватности полученных решений проверялось выполнение закона сохранения энергии, а также проводилось сравнение полученных результатов с экспериментальными данными, полученными другими авторами, и аналитическими оценками.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Разработанное теоретическое описание ВКР-компрессии при обратном ВКР в плазме и попутном ВКР в сжатом газе может быть использовано при проектировании и создании мощных лазерных систем.

2. Анализ влияния пространственных характеристик пучков на эффективность преобразования при попутной ВКР компрессии позволяет рекомендовать к использованию в ВКР-компрессорах пучки супергауссовой формы, поскольку, в отличие от пучков гауссовой формы, они менее подвержены искажению переднего фронта.

3. Разработанный программный пакет может быть использован при дальнейших исследованиях взаимодействия сверхкоротких импульсов при попутном и обратном ВКР в различных средах.

4. Оптимальные значения параметров среды и взаимодействующих волн, полученные путем анализа результатов численного моделирования, могут быть использованы при постановке экспериментальных исследований.

Апробация работы

West, LASE 2001 (Сан-Хосе, США, 2001), молодежной научной школе "Нелинейные волны-2002" (Нижний Новгород, 2002), международной конференции молодых ученых IQEC/LAT-YS, (Москва, 2002), научных и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 20052010), III и IV межвузовских конференциях молодых учёных (Санкт-Петербург, 2006, 2007), международном оптическом конгрессе ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics (Санкт-Петербург, 2006), IV международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики" (Санкт-Петербург, 2006).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, 5 из них - в изданиях, входящих в «Перечень ведущих периодических изданий» ВАК.

Личный вклад

Все представленные в диссертации результаты получены и выполнены лично автором или при его непосредственном участии. Научному руководителю В.Г. Беспалову принадлежит постановка общей темы исследований и формулировка отдельных задач.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, содержащего 65 наименований. Она изложена на 103 страницах, включая 40 иллюстраций и 2 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы ее цель, задачи и основные научные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации, кратко рассмотрены структура диссертации и ее содержание.

В первой главе проведен обзор компрессии импульсов с использованием процессов BP, приведена библиография основных работ по данной теме с 1966 по 2009г. Далее рассмотрены особенности процессов обратного ВКР в плазме и попутного ВКР в сжатом газе.

Вторая глава посвящена выводу общей системы уравнений, описывающей распространение волн в среде при ВКР, и введению основных критериев оценки эффективности взаимодействия.

Начало главы посвящено выводу волнового уравнения общего вида, описывающего распространение электромагнитного поля в немагнитной среде с учетом электронно-колебательной нелинейности среды. Следует отметить, что при длительностях импульсов накачки больше 100 фс для описания процессов ВКР в качестве исходной можно использовать систему укороченных уравнений [2] для взаимодействующих волн (накачки, стоксовой и фононной), при меньших длительностях необходимо использовать другие подходы [9].

В следующем параграфе для упрощения расчетов производится переход

от xfv (эффективности нелинейного возбуждения молекулярных колебаний световым полем) Kg- коэффициенту стационарного ВКР-усиления,

измеряемому в [см/ГВт] и определяемому формулой — = gl„Is, где Ips -

интенсивности волн накачки и Стокса.

Для проведения анализа процесса обратного ВКР в последнем параграфе второй главы определяются критерии, с помощью которых можно оценить эффективность процесса преобразования энергии, компрессию импульсов, форму полученных сигналов при различных начальных условиях и значениях параметров среды: y = wsl wp0, уреак = wреак / wр0 - общий , и пиковый

коэффициенты усиления, /j = tpQ/ts - коэффициент компрессии,

rj = уреа1 • ¡1 - эффективность преобразования. Здесь Wpo, ws, wpeak- плотности

энергии исходной волны накачки, конечной волны Стокса и наиболее интенсивного пика стоксова импульса в случае его распада на несколько пичков, a tp0, ts - начальная длительность импульса накачки и конечная длительность стоксова импульса соответственно.

Третья глава посвящена компрессии при обратном вынужденном комбинационном рассеянии в плазме на плазмонах. Частота плазменных колебаний зависит от концентрации электронов в плазме и определяется

формулой сор = ^4лпее2/т, где ей т - заряд и масса электрона [A3]. В

первом параграфе производятся математические действия, приводящие общую систему уравнений ВКР к частному случаю - обратному ВКР в неоднородной плазме:

& с д! 2

Зр О ... I * 2:к г + + = — е ре5еш-г

5/ Т2 Т2

Здесь |еЛ1| = !, сор_5 - нормированные огибающие амплитуд и частоты

волн накачки и Стокса, ц - амплитуда плазменной волны, описывающая колебания на плазменной частоте, Т2 - время, характеризующее затухание плазменных колебаний, (р = 2У^к'р + к'5) - параметр неоднородности -коэффициент, показывающий, какой неоднородностью обладает среда, г0-точка распада, в которой выполняется равенство к^20) = кр{гй)-к!{20),

кр, 5.» _ волновые вектора накачки, Стокса и плазменной волн соответственно.

Следующий параграф посвящен аналитической оценке степени компрессии импульсов в однородной и неоднородной плазме для стационарного и нестационарного режима компрессии. Данные оценки позволяют сделать вывод, что при использовании метода обратного ВКР даже в неоднородной плазме можно ожидать достижения высокой степени компрессии лазерного импульса с приемлемой эффективностью преобразования энергии, но, поскольку задача является нелинейной, оптимальные условия процесса можно определить только численными методами.

Численная схема решения системы (1) содержит в себе два основных шага. Первым шагом является интегрирование уравнения для фононной волны, вычисление полученного интеграла и подстановка его в уравнения волн накачки и Стокса. На следующем этапе производится аппроксимация производных [10] по координате и времени через уже известные значения искомых функций в узлах расчетной сетки. Далее полученное решение подвергается последовательному уточнению для уменьшения погрешности вычислений. В качестве основного критерия соответствия найденного решения физическим процессам рассматривался закон сохранения энергии, выполнения которого можно добиться, уменьшая шаги дискретизации по координате и времени.

При численном исследовании процесса обратного ВКР в плазме моделировалось взаимодействие импульсов накачки и Стокса с гауссовым распределением амплитуды и длительностями тр = 10 пс и гЛ. = 0.1..0.3 пс. Диаметр затравочного пучка и пучка накачки составлял = д.р- 0.3 см. В

качестве среды рассматривался плазменный слой длиной Ь = 0.1 см, который может быть получен из металлической фольги при воздействии предымпульса. Длина волны накачки должна быть меньше стоксовой длины волны, например: Яр = 0.5 мкм (вторая гармоника лазера на стекле с неодимом) и Д, = 0.8 мкм (лазер на сапфире с титаном), тогда длина плазмонной волны Яр1 = Яр/(1 -Лр/Л5) - 1.7 мкм и электронная плотность

плазмы составляет пр> Ю20 см"3. Возможны и другие варианты значений длин волн [АЗ].

В ходе работы рассматривались как стационарный (т^»Т2), так и нестационарный (тр<12,5Т2) режимы взаимодействия импульсов. Характерной чертой стационарного режима взаимодействия в однородной плазме в отсутствие предымпульса является получение на выходе среды одиночного усиленного стоксова импульса. В то же время при значениях Т2, соответствующих нестационарному взаимодействию, выходной стоксов сигнал распадается на несколько пиков убывающей интенсивности. Данная особенность связана с нарастанием процесса обратной перекачки энергии, обусловленной возникающим за счет инерционности плазмонной волны усилением накачки в поле сильного стоксова излучения.

Создание однородной плазмы высокой плотности является достаточно сложной задачей, поэтому в расчетах в качестве среды для взаимодействия была выбрана именно неоднородная плазма. В работе рассматривалась плазма, плотность которой менялась от переднего фронта к заднему по линейному закону. Степень неоднородности плотности плазмы в уравнениях (2) определяется значением параметра <р, от которого зависит фазовая расстройка [АЗ] между взаимодействующими волнами. В точке г0 ее значение обращается в ноль, что соответствует резонансному усилению. Удаление от точки распада приводит к увеличению фазовой расстройки, поскольку изменение плотности плазмы влечет за собой смещение плазменной частоты и частоты стоксова излучения, для которых в данной точке среды выполняется условие резонансного взаимодействия.

Результаты численного моделирования показали, что с ростом неоднородности плотности плазмы количество энергии, получаемое главным пиком импульса Стокса, остается неизменным, но эффективность преобразования падает вследствие увеличения длительности стоксова импульса. При этом наибольшее влияние плазменной неоднородности проявляется при малой начальной интенсивности волны накачки (рис. 1). Объяснить данный эффект можно тем, что в условиях сильного энергообмена, при высоких интенсивностях взаимодействующих волн наблюдается эффект захвата фаз [АЗ], при котором условия фазового синхронизма теряют свою силу.

7,7

юо

ТреаМ

О 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

Рис. 1. Зависимость общего (у, %) и пикового {у^ак, %) коэффициентов усиления от параметра неоднородности плотности плазмы (р (см '-фс"1) и

начальной интенсивности волны накачки (1Р, ПВт/см2): 1 и Г: урсак и у, 1р0 = 2 ПВт/см2; 2 и 2': уреак и у, 1р0 = 3 ПВт/см2; 3 и 3': у{хЛ и у, 1Р„ = 5 ПВт/см2.

Тем не менее, в стационарном режиме существует такое значение неоднородности плотности плазмы, при котором можно наблюдать резкий скачок энергии главного пика в стоксовом импульсе. В этом случае увеличение параметра <р приводит к переходу от многопичкового режима взаимодействия к однопичковому (рис. 1, кривая 1). Объяснить данное явление можно возрастанием волновой расстройки от передней к хвостовой части стоксова импульса, которое усиливается в среде, обладающей большей неоднородностью: В результате энергообмен в хвосте импульса падает сильнее, чем на переднем фронте, а в некоторых случаях и полностью прекращается. Тогда на выходе среды можно наблюдать усиленный одиночный стоксов сигнал, сравнимый по энергии и длительности с импульсом, который можно получить в оптимальных условиях в однородной плазме.

В реальных системах получение импульсов идеальной формы практически невозможно. Наличие в стоксовом импульсе предымпульса даже малой интенсивности может существенно изменить процесс формирования выходного сигнала. Расчеты, проведенные для однородной плазмы, показали, что существование предымпульса снижает эффективность преобразования, поскольку полученная в результате перекачки энергия распределяется в стоксовой волне между несколькими пиками одинаковой интенсивности, а длительность выходного импульса возрастает в несколько раз.

Негативное влияние предымпульса может быть скомпенсировано за счет влияния неоднородности плотности плазмы, поскольку с ее помощью можно подавить энергообмен между волнами в нежелательных областях' среды. Из рис. 2 можно видеть, что существует такое значение параметра неоднородности плотности плазмы, при котором эффективность преобразования достигает максимума. При этом чем выше начальная интенсивность волны накачки, тем большей неоднородностью должна обладать плазменная среда для достижения оптимальных, условий преобразования.

Рис. 2. Зависимость эффективности преобразования ц от параметра неоднородности плотности плазмы <р и начальной интенсивности волны накачки. 1: 1р0 = 2 ПВт/см2; 2:7^ = 3 ПВт/см2,3:1р0 = 5 ПВт/см2.

Таким образом, анализ полученных результатов показал, что в оптимальных условиях в неоднородной плазме можно добиться эффективности преобразования ц ~ 60 раз для стационарного и ц ~ 35 раз для нестационарного режимов ВКР.

Альтернативным методом получения мощных лазерных импульсов фемтосекундных длительностей является процесс компрессии при попутном ВКР в сжатом газе, исследованию которого посвящена четвертая глава работы. В первом параграфе проводится адаптация общей системы для описания попутного ВКР с учетом дифракционных эффектов:

3 | 1 3 ^ 1 д: + Ур& + 2кр'

д 15 / л -+--+-£

д= V, 31 2к,

м 2

= Щ-

ерЧ

(2)

81 Т-,

' р

Здесь Кл,5 - групповые скорости волны накачки и стоксовой волны, ц -фононная волна, описывающая молекулярные колебания, , активные в комбинационном рассеянии, Т2 - время, характеризующее затухание

молекулярных колебаний,

д 1А

1 ~ дг2 Г дг

- оператор, описывающии

дифракцию взаимодействующих волн.

Поскольку аналитическое решение полученной системы известно только для случая плоских волн в приближении постоянной волны накачки, для исследования взаимодействия пучков в среде необходимо решать ее численными методами. При решении первых двух уравнений системы (2) использовался метод расщепления по физическим факторам, когда каждое из уравнений можно представить в виде суммы действия двух операторов

— = + ¿2/, где ¿1 - оператор дифракции, а Ь2- оператор нелинейного 3:

взаимодействия, после чего уравнения для каждого из операторов решаются независимо. При решении уравнения для оператора дифракции использовался метод конечных элементов, в нашем случае его применение сводится к решению трехдиагональной системы уравнений, которая может быть решена методом прогонки [10]. Уравнение нелинейного взаимодействия, как и уравнение для фононной волны, решалось с использованием метода Рунге-Кутта второго порядка точности. Для общей проверки адекватности численной модели отслеживалось выполнение закона сохранения энергии в системе. Кроме того, было проведено сравнение численных результатов решения уравнения для оператора дифракции с аналитическим решением

( . .. V

е(г,2) = е0

'"о со(2)

ехр

1:ф)-г'

а>\2)

+ -

¡к

2Я(г))

(3)

( Z2 1 ( Л ( 7

m2{z) = aо2 , r]{z) = arctg z

1 VJ I 2 J

- нормированная амплитуда волны, со0 - частота, Я - длина волны, к -волновой вектор. Анализ показал, что численная модель, используемая для решения уравнения дифракции, обладает хорошей точностью и малой погрешностью вычислений на рассматриваемой длине среды (L = 1 м).

Предварительные численные расчеты попутного ВКР для плоских волн показали, что наилучших результатов компрессии и усиления импульсов можно добиться, используя режим сверхрегенеративного усиления (IpQ больше порога собственной ВКР-генерации) [А1] в средах с нормальной дисперсией групповых скоростей. Немаловажным фактором также является время задержки td максимума затравочного импульса относительно максимума накачки, с которой он поступает в среду. Оптимальное значение этого параметра зависит от дисперсии групповых скоростей dV-\IVp-\IVs: чем больше значение dV, тем больше должна быть

задержка между импульсами для увеличения времени их энергообмена.

В работе было исследовано взаимодействие пучков гауссовой и супергауссовой формы с различными радиусами перетяжки и длительностями импульса накачки 1 пс и стоксова импульса 100 фс. Анализ полученных путем численного моделирования результатов привел к выводу что гауссовы пучки с радиусами a>pO,jO<0.05 см теряют свою форму в пространстве вследствие одновременного усиления и влияния дифракционных эффектов, поэтому эффективной перекачки энергии в данном случае достичь практически невозможно. С увеличением радиуса пучка и преодолением некоторого порогового значения сол конечная форма выходного сигнала для различных cop0fS0 сходна, а в формировании импульса наблюдаются одинаковые закономерности: при малых g (~ 0.5 см/ГВт) основному усилению подвергается передний фронт импульса. Стокса, а в хвостовой части пучка возможно возникновение вторичного пика меньшей интенсивности, связанное с процессом обратной перекачки энергии (рис. 3). Рост коэффициента стационарного ВКР приводит к усилению обратной перекачки энергии из волны Стокса в волну накачки и, как следствие, к появлению в стоксовом импульсе нескольких субимпульсов высокой интенсивности [А5]. Кроме того, для больших g наблюдается запаздывание энергообмена на краях импульсов по оси г, приводящее к сферическому искажению волнового фронта.

» N 0.05 0.1 0.2 0.3

0.5 * т * т в

1 -1 т 3 0

1.5 * 0

2 н ш Ц • 0

t 1

Рис. 3. Распределение интенсивности стоксова излучения во времени на выходе среды в зависимости от значений коэффициента стационарного ВКР % [см/ГВт] и начального радиуса пучков со0 = C0po.su [см].

Максимум интенсивности 1реак ~ 2200 ГВт/см2 и наименьшая длительность выходного импульса (~ 60 фс) были получены при использовании гауссовых пучков радиусами аз^о = 1 см, поскольку в данном случае выходной пучок обладает хорошим контрастом, а главный пик выходного сигнала несет в себе до 45% энергии накачки.

По результатам численных экспериментов были построены графики зависимостей пикового коэффициента усиления от коэффициента стационарного ВКР для импульсов гауссовой и супер-гауссовой формы (рис. 4а, б). Сравнительный анализ данных графиков показывает, что основные закономерности роста энергии импульса Стокса остаются одинаковыми. При этом количество энергии, приобретаемое главным стоксовым пиком при

использовании пучков супер-гауссовой формы всегда больше, чем для гауссовых пучков в одних и тех же условиях взаимодействия.

(а) (б)

Рис. 4. Зависимость пикового коэффициента усиления креак от коэффициента стационарного ВКР g (см/ГВт) и начальных радиусов пучков mpo,so [см] для (а) гауссовых пучков, (б) супер-гауссовых пучков. (1) ыр0Л = 0.03 см, (2) Wpo^o = 0.05 см, (3) cupo.so = 0.1 см, (4) ojp0,so = 0.2..2 см.

Также необходимо отметить, что основным отличием выходного пучка супер-гауссовой формы с радиусом перетяжки co¡0 > а>а, см является отсутствие сильного сферического искажения переднего края импульса, которое наблюдалось при использовании гауссовых пучков. Ровный передний фронт импульса, сопровождаемый небольшим запаздыванием энергии по краям, обусловлен начальной формой используемых пучков.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по проделанной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выведены системы уравнений, описывающие процессы обратного ВКР в неоднородной плазме и попутного ВКР с учетом дифракционных эффектов в сжатом газе.

2. Разработаны методы и программы расчетов для численного моделирования обратного, и попутного ВКР с участием импульсов малой длительности.

3. Подтверждено, что наибольшая эффективность преобразования при обратном ВКР достигается в однородной среде при стационарном режиме усиления. Для высоких начальных интенсивностей волн увеличение неоднородности снижает эффективность за счет уширения импульса Стокса, для малых значений - за счет снижения получаемой стоксовым импульсом энергии.

4. Показано, что в однородной плазме наличие предымпульса у волны Стокса снижает эффективность преобразования, но при сильном энергообмене между волнами неоднородность плотности плазмы подавляет негативное влияние предымпульса на процесс перекачки энергии. Существует оптимальная степень неоднородности, при которой эффективность достигает максимума. С увеличением 1Р0 точка оптимума сдвигается в сторону усиления неоднородности.

5. Исследовано влияние параметров среды на процесс формирования выходного импульса при попутном ВКР в сжатом газе. Показано, что в средах с нормальной дисперсией групповых скоростей при сверхрегенеративном режиме усиления перекачка энергии в стоксов импульс может достигать 55% с одновременной компрессией в 15-17 раз относительно начальных энергии и длительности волны накачки.

6. Рассмотрены взаимодействия пучков с различными значениями радиусов перетяжки а)р0, ojs0. Показано, что наибольшая эффективность преобразования достигается для пучков супергауссовой формы с copo = со ¡а > 0.3 см при обычных для сжатых газов коэффициентах усиления порядка 2 см/ГВт, поскольку в данном случае вторичный пик стоксова импульса несет в себе малую часть энергии волны, а влияние дифракционных эффектов не приводит к расплыванию пучка.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Woodbury E.J., Ng W.K. Ruby laser operation in near 1R. // Proc. IRE.- 1962.-Vol. 50,-P. 2367.

2. N. Bloembergen, Nonlinear Optics // New York: Benjamin.- 1965.

3. Murray J. R., Goldhar J., Eimerl D., Szoke A. Raman Pulse Compression of Excimer Lasers for Application to Laser Fusion. // IEEE J. of Quant. Electron.- 1979.- Vol. 15.- P. 342-368.

4. M. Maier, W. Kaiser, and J. A. Giordmaine, Backward stimulated Raman scattering. // Phys. Rev.-1969,- Vol. 177.- P. 580-590.

5. Горбунов B.A., Управление параметрами лазерного излучения при помощи вынужденного комбинационного рассеяния. И Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Ленинград.- 1984,- 170 с.

6. Malkin V.M., Shvets G., Fisch N.J. Detuned Raman Amplification of Short Laser Pulses in Plasma. // Phys. Rev. Lett.- 2000.- Vol. 84.- P. 1208.

7. Ping Y., Geltner I., Fisch N.J., Shvets G., Suckewer S. Raman amplification of ultrashort laser pulses in microcapillary plasmas. // Phys. Rev. E.- 2Ó02.- V. 66,-P. 046401.

8. Джиджоев M. С., Михеев П. М., Платшенко В. Т., Савельев А. В. Численное моделирование ВКР-преобразования фемтосекундных УФ импульсов. // Квантовая электроника,- 1997.- Т. 24,- No. 3,- С. 255-259.

9. Bespalov V.G., Kozlov S.A., Shpolyansky Yu.A., Walmsley I. Simplified field wave equations for nonlinear propagation of extremely short light pulses. //Phys. Rev. A.- 2002.- V. 66.- P. 013811.

10. Schoulepnikoff L., Mitev V. Numerical method for the modeling of high-gain single-pass cascade stimulated Raman scattering in gases. // J. Opt. Soc. Am. В.- 1997.-V. 14,-No. 1.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В

СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Àl. Yermolayeva E.V., Bespalov V.G. Forward SRS compression-amplification of femtosecond pulses. //Proc. SPIE.- 2001,- V. 4268,- P.117-122.

A2. Alexander A. Andreev, Victor G. Bespalov, Elena V. Ermolaeva, Rainer R. Salomaa, Compression of high-intensity laser pulse by inhomogeneous plasma. // Proc. SPIE.- 2004.- V. 5482,- P. 124-135.

A3. Андреев A.A., Беспалов В.Г., Ермолаева E.B., Salomaa R.R.E. Компрессия сверхмощных лазерных импульсов в неоднородной плазме при обратном вынужденном комбинационном рассеянии. // Опт. и спектр,- 2007. Т.-102,- № 1,- С. 108-115.

A4. Беспалов В.Г., Ермолаева Е.В. Исследование характеристик сверхкоротких импульсов при ВКР временной компрессии. // Изв. РАН, серия физическая.- 2007.- Т. 71.- № 2.- С. 162-165.

А5. Ермолаева Е.В., Беспалов В.Г. Оптимальные условия вынужденного комбинационного рассеяния для компрессии и усиления сверхкоротких импульсов в плазме и сжатых газах. // Опт. журн. 2007.- Т. 74.- №11.- С. 17-23.

А6. Андреев A.A., Беспалов В.Г., Ермолаева Е.В. Моделирование процессов •временной ВКР-компрессии в неоднородной плазме. // Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО.- 2005,- В. 18,- С. 155-160.

А7. Ермолаева Е.В., Беспалов В.Г. Исследование временной ВКР-компрессии широких лазерных пучков фемтосекундной длительности. // Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО,- 2006,- В. 26,- С.112-115.

А8. Ермолаева Е.В., Беспалов В.Г. Временная компрессии широких пучков фемтосекундной длительности при попутном ВКР. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО,- 2006,- В. 34,- С. 3-7.

А9. Ермолаева Е.В., Беспалов В.Г. Компрессия и усиление сверхкоротких импульсов при ВКР в плазме и сжатых газах: особенности и

оптимальные условия процесса. // Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО.- 2007.- В. 37,- С. 69-78.

АЮ.Ермолаева Е.В., Беспалов В.Г. Компрессия и усиление фемтосекундных импульсов при попутном вынужденном комбинационном рассеянии в сжатых газах. // В кн. "Современные технологии", под ред. С.А. Козлова. СПб: СПбГУ ИТМО,- 2000,- С. 9-11.

All.Ермолаева Е.В., Беспалов В.Г. Временная компрессия гауссовых пучков фемтосекундной длительности при попутном вынужденном комбинационном рассеянии. // Проблемы когерентной и нелинейной оптики: сборник статей. Под ред. И.П. Гурова и С.А. Козлова. СПб: СПбГУ ИТМО.- 2006.- С.185-192.

А12.Ермолаева Е.В., Беспалов В.Г., Андреев A.A. Компрессия фемтосекундных лазерных импульсов при. вынужденном комбинационном рассеянии в плазме и газах. // "Комбинационное рассеяние - 80 лет исследований": Коллективная монография.-Под ред. B.C. Горелика. Москва: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН.- 2008,- С. 387-396.

А13.ЕрмолаеваЕ.В., Беспалов В.Г., Влияние поперечной структуры лазерных пучков на их временную компрессию при попутном вынужденном комбинационном рассеянии в сжатых газах. // Труды НИЦ фотоники и оптоинформатики: сборник статей. Под ред. И.П. Гурова, С.А. Козлова.- СПб: СПбГУ ИТМО.- 2009.- С. 64-72.

А14.Ермолаева Е.В. Моделирование временной компрессии при ВКР усилении в поле фемтосекундных импульсов. И Труды Международной Научной конференции "Оптика-99",-1999.- С. 86-87.

А15.Ермолаева Е.В., Беспалов В.Г. Влияние дисперсии групповых скоростей волн накачки и Стокса на эффективность ВКР преобразования фемтосекундных импульсов. // Препринт Российской научно-практической конференции "Оптика и научное приборостроение -2000",- 2000,- С. 46-47.

Alö.Bespalov V.G., Yermolayeva E.V. Optimal conditions of forward SRS compression-amplification of femtosecond pulses. // Papers of First International Conference on Laser Optics for Young Scientists.- 2000.- P. 19.

А17.Ермолаева E.B., Беспалов В.Г. Моделирование компрессии и усиления фемтосекундных импульсов при попутном ВКР в сжатых газах // Труды Научной Молодежной школы "0птика-2000".- 2000.- Санкг-Петербург,-С. 72-73.

А18.Ермолаева Е.В., Беспалов В.Г. Спектральные характеристики сильно нестационарного ВКР в газах с учетом фазовой само- и кросс-

модуляции. // Труды Международной Молодежной Конференции "0птика-2001".- Санкт-Петербург,- 2001.

A19.Ermolaeva E.V., Bespalov V.G. Spectral broadening of ultrashort pulses in gas medium by stimulated Raman scattering. // Technical Digest IQEC/LAT-YS.- 2002.- P. YMC3.

A20.Ermolaeva E.V., Andreev A.A., Bespalov V.G. Nonlinear compression of high intensity short laser pulse by inhomogeneous plasma. // Papers of The European Conference on Lasers and Electro-Optics and the International Quantum Electronics Conference (CLEO®/Europe-IQEC).- 2003,- P. 446.

A21.Ермолаева E.B. Учет дифракции взаимодействующих пучков при ВКР временной компрессии. // Труды IV Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2005».- 2005.- С. 78-79.

A22.Ermolaeva E.V., Bespalov V.G. Temporal compression of Gaussian femtosecond beams by forward SRS. // Papers of ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics. St. Petersburg.- 2006.- P. 426-428.

А23.Ермолаева E.B., Беспалов В.Г. Временная компрессия широких пучков фемтосекундной длительности при попутном ВКР. // Труды IV Международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики".-2006,- С. 234-237.

А24.Ермолаева Е.В., Беспалов В.Г. Компрессия и усиление сверхкоротких импульсов при ВКР в плазме и сжатых газах: особенности и оптимальные условия процесса. // Труды IV Межвузовской конференции молодых учёных "Огггика-2007",- 2007.- С. 35-37.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812) 233 4669 объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Ермолаева, Елена Вячеславовна

ВВЕДЕНИЕ.

1. КОМПРЕССИЯ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ КОМБИНАЦИОННОМ РАССЕЯНИИ.

1.1. Обзор литературы, посвященной компрессии импульсов с использованием процессов ВНР.

1.2. Особенности компрессии импульсов при обратном вынужденном комбинационном рассеянии в плазме.

1.3. Особенности компрессии импульсов при попутном * вынужденном комбинационном рассеянии.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА КОМПРЕССИИ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ КОМБИНАЦИОННОМ РАССЕЯНИИ.

2.1. Вывод волнового уравнения, описывающего распространение волн в среде.

2.2. Вывод системы уравнений для вынужденного комбинационного рассеяния в приближении медленно меняющихся амплитуд и фаз.

2.3. Коэффициент стационарного ВКР-усиления: физический смысл, ввод в систему уравнений для вынужденного комбинационного рассеяния.

2.4. Введение параметров оценки эффективности ВКР-преобразования.

2.4.1. Коэффициент усиления.

2.4.2. Коэффициент компрессии.

2.4.3. Эффентивность преобразования.

3. КОМПРЕССИЯ ПРИ ОБРАТНОМ ВЫНУЖДЕННОМ КОМБИНАЦИОННОМ РАССЕЯНИИ В ПЛАЗМЕ.

3.1. Система уравнений для обратного вынужденного комбинационного рассеяния в неоднородной среде.

3.2. Аналитические оценки компрессии импульсов в однородной и неоднородной плазме.

3.3. Численное моделирование процесса компрессии при обратном вынужденном комбинационном рассеянии.

3.3.1. Численное интегрирование уравнения фононной волны.

3.3.2. Численное решение уравнений распространения волн на качни и Стокса.

3.3.3. Проверка правильности найденного решения: выполнение закона сохранения энергии.

3.3.4. Выбор параметров численной схемы.

3.4. Начальные условия численного моделирования процесса компрессии при обратном вынужденном комбинационном рассеянии.

3.4.1. Изменяемые параметры среды.

3.4.2. Начальные условия для взаимодействующих волн.

3.5. Обсуждение результатов численного моделирования.

3.5.1. Особенности компрессии в однородной плазме.

3.5.2. Влияние неоднородности плотности плазмы на компрессию импульсов.

3.5.3. Влияние предымпульса затравочного импульса на процесс компрессии.

4. КОМПРЕССИЯ ПРИ ПОПУТНОМ ВЫНУЖДЕННОМ КОМБИНАЦИОННОМ РАССЕЯНИИ В СЖАТЫХ ГАЗАХ.

4.1. Учет дифракционных эффектов.

4.2. Аналитическое решение для случая плоских волн.

4.3. Численное моделирование процесса компрессии при попутном вынужденном комбинационном рассеянии.

4.3.1. Описание математической модели.

4.3.2. Проверка правильности численных расчетов.

4.4. Начальные условия численного моделирования процесса компрессии при попутном вынужденном комбинационном рассеянии.

4.5. Результаты численного моделирования процесса компрессии при попутном вынужденном комбинационном рассеянии в приближении плоских волн.

4.5.1. Особенности компрессии в различных режимах усиления.

4.5.2. Влияние дисперсии групповых скоростей.

4.5.3. Поиск оптимальной задержки стоксова импульса во времени.

4.5.4. Основные мешающие факторы.

4.6. Результаты численного моделирования процесса компрессии при попутном вынужденном комбинационном рассеянии с учетом дифракционных эффектов.

4.6.1. Особенности компрессии пучков гауссовой формы.

4.6.2. Особенности компрессии пучков супер-гауссовой формы.

Введение диссертация по физике, на тему "Временная компрессия сверхкоротких световых импульсов с использованием вынужденного комбинационного рассеяния"

Получение сверхкоротких импульсов высокой мощности является одной из наиболее актуальных задач в лазерной оптике в последнее время. Интерес к данному вопросу связан с возможностью применения таких импульсов в различных научных и технических приложениях для создания рентгеновских лазеров, ускорителей элементарных частиц и т.д. Эффективным методом генерации импульсов субпико- и фемтосекундной длительности является нелинейная компрессия с использованием процессов вынужденного рассеяния — вынужденного рассеяния Манделыптама-Бриллюэна и вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) [1, 2]. В настоящее время существуют методы получения лазерных пучков с энергиями до 10. 100 кДж и длительностью отдельного импульса ~ 10 пс на основе неодимовых лазеров с ВРМБ компрессией (X = 1060 нм), а также на основе эксимерных (например, Kj*F X — 248 нм) лазеров с усилителями, накачиваемых мощным электронным пучком. Дальнейшее уменьшение длительности импульса до уровня 100 фс с сохранением энергии сопряжено с большими техническими трудностями. Целью данной работы является исследование процесса компрессии пикосекундных импульсов до уровня фемтосекундной длительности с использованием методов обратного и попутного ВКР.

В качестве среды для обратного рассеяния нами была выбрана плазма, идея использования которой для нелинейной компрессии с помощью ВКР появилась сравнительно недавно [3]. Основными преимуществами данной среды являются отсутствие порога термического пробоя, а также возможность использования вновь образованной плазмы для каждого нового лазерного импульса. Как было установлено [4], большую роль в формировании выходного сигнала играет вид предымпульса, которым в реальности обладает затравочный импульс Стокса. Наличие такого предымпульса может полностью расстроить процесс эффективного энергообмена между взаимодействующими волнами и привести к выделению в волне Стокса не одного мощного пика, а нескольких пиков схожей интенсивности. Неоднородность плазмы в общем случае также приводит к нежелательному ослаблению процесса перекачки энергии и нестабильности в формировании стоксова импульса [5]. В диссертационной работе, основываясь на результатах численного моделирования, будет показано, что использование неоднородной плазмы может привести к компенсации негативного влияния стоксова предымпульса и увеличению эффективности преобразования энергии. Также будут представлены количественные оценки эффективности преобразования энергии при различных начальных значениях параметров волн и среды и определены оптимальные условия взаимодействия волн, при которых достигаются наибольшие усиление и компрессия.

Использование обратного ВКР в сжатых газах для получения импульсов фемтосекундной длительности затруднительно вследствие малого инкремента рассеяния назад, поэтому для достижения поставленной цели был применен метод попутного ВКР - один из наиболее эффективных методов генерации и усиления сверхкоротких импульсов [6, 7]. Как известно, стационарный режим ВКР позволяет осуществить частотное преобразование энергии с одновременным укорочением импульса и увеличением его контраста. Нестационарный режим ВКР реализуется при использовании импульсов накачки, длительность которых меньше или сравнима со временем дефазировки молекулярных колебаний. Следствием нестационарности процесса являются появление задержки стоксова импульса относительно импульса накачки и увеличение энергии излучения, необходимой для преодоления порога ВКР. Процесс нестационарного ВКР импульсов пикосекундной длительности широко исследовался в последние годы, и основные его особенности достаточно полно выявлены [8].

Возможность применения этого процесса для эффективного усиления и компрессии фемтосекундных импульсов была показана сравнительно недавно, поэтому исследование ВКР сверхкоротких импульсов является актуальной темой на данный момент.

На первом этапе численных исследований в приближении плоских волн были определены параметры среды и режим ВКР, при которых достигается максимальная эффективность преобразования, а также оценено влияние процессов фазовой само- и кроссмодуляции на формирование выходного импульса. Далее путем численного моделирования были проведены расчеты по учету дифракционных эффектов, действие которых проявляется по мере распространения и взаимодействия пучков в среде. Для сравнительного анализа влияния дифракции на выходную форму стоксова пучка при его усилении были рассмотрены импульсы с гауссовым и супергауссовым распределением амплитуды.

На защиту выносятся следующие положения:

5. При попутном ВКР пикосекундных импульсов в газовых средах наибольшая эффективность компрессии и ВКР-преобразования достигается для пучков с гауссовым и супергауссовым распределением амплитуды и фазы, распространяющихся в активных волноводах, характеризуемых числами Френеля No > 1, при обычных для сжатых газов коэффициентах усиления порядка 2 см/ГВт. Это обусловлено уменьшением влияния обратной перекачки энергии из волны Стокса в волну накачки и подавлением вторичных пиков в стоксовом импульсе.

Результаты диссертационной работы были представлены на международных научных конференциях "Оптика" (Санкт-Петербург, 1999, 2001, 2005, 2007, 2009), российской научно-практической конференции "Оптика и научное приборостроение - 2000", (Санкт-Петербург, 2000), международной конференции по лазерной оптике для молодых ученых LO-YS'2000 (Санкт-Петербург, 2000), международной конференции Photonics West, LASE 2001 (Сан-Хосе, США, 2001), молодежной научной школе "Нелинейные волны-2002" (Нижний Новгород, 2002), международной конференции молодых ученых IQEC/LAT-YS, (Москва, 2002), научных и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2005

2010), III и IV межвузовских конференциях молодых учёных (Санкт-Петербург, 2006, 2007), международном оптическом конгрессе ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics (Санкт-Петербург, 2006), IV международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики" (Санкт-Петербург, 2006).

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. В первой главе проведен обзор компрессии импульсов с использованием процессов вынужденного рассеяния, приведена библиография основных работ по данной теме с 1966 по 2009 г. Далее рассмотрены особенности процессов обратного ВКР в плазме и попутного ВКР в сжатых газах.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе исследовалась возможность получения фемтосекундных импульсов высокой мощности путем нелинейной компрессии с использованием процессов обратного и попутного ВКР.

В ходе выполнения работы выведены системы уравнений, описывающие процессы обратного ВКР в неоднородной плазме и попутного ВКР с учетом дифракционных эффектов в сжатом газе, разработаны методы и программы расчетов для решения полученных систем с участием импульсов малой длительности.

Подтверждено, что наибольшая эффективность преобразования при обратном ВКР достигается в однородной среде при стационарном режиме усиления. Замечено, что для высоких начальных интенсивностей волн увеличение неоднородности снижает эффективность за счет уширения стоксова импульса, для малых значений — за счет снижения получаемой стоксовым импульсом энергии. При малых начальных интенсивностях в стационарном режиме усиления существует такое значение неоднородности плотности плазмы, при котором наблюдается резкое увеличение эффективности преобразования, связанное с переходом от многопичкового режима взаимодействия к однопичковому.

Показано, что в однородной плазме наличие предымпульса в стоксовой волне снижает эффективность преобразования, но при сильном энергообмене между волнами неоднородность плотности плазмы подавляет негативное влияние предымпульса на процесс перекачки энергии. Существует оптимальная степень неоднородности, при которой эффективность достигает максимума. С увеличением 1р0 точка оптимума сдвигается в сторону усиления неоднородности.

Исследовано влияние параметров среды на процесс формирования выходного импульса при попутном ВКР в сжатом газе. Показано, что в средах с нормальной дисперсией групповых скоростей при сверхрегенеративном режиме усиления перекачка энергии в стоксов импульс может достигать 55% с одновременной компрессией в 15-17 раз относительно начальных энергии и длительности волны накачки.

Рассмотрены взаимодействия пучков с различными значениями радиусов перетяжки. Показано, что наибольшая эффективность преобразования достигается для пучков супер-гауссовой формы с радиусами более 0.3 см при обычных для сжатых газов коэффициентах усиления порядка 2 см/ГВт, поскольку в данном случае вторичный пик стоксова импульса несет в себе малую часть энергии волны, а влияние дифракционных эффектов не приводит к расплыванию пучка.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Ермолаева, Елена Вячеславовна, Санкт-Петербург

1. Murray J. R., Goldhar J., Eimerl D., Szoke A. Raman Pulse Compression of Excimer Lasers for Application to Laser Fusion. // 1.EE J. of Quant. Electron.-1979.- V. 15.- P. 342-368.

2. Bespalov V.G., Staselko D.I. Spatial-temporal coherence of Stokes radiation under conditions of stimulated Brillouin scattering compression in liquids. // Soviet Journal of Quantum Electronics.- 1985.-V. 15(12) .-P. 1649-1651.

3. V. M. Malkin, G. Shvets, and N. J. Fisch. Fast Compression of Laser Beams to Highly Overcritical Powers. // Phys. Rev. Lett.- 1999.- V. 82.- P. 4448.

4. Yu.A. Tsidilko, V.M. Malkin, and N.J. Fisch. Suppression of Superluminous Precursors in High-Power Backward Raman Amplifiers. // Phys. Rev. Lett.- 2002.-V. 88.- No. 23,- P. 235004.

5. A.Reiman, A. Bers, D. Каир. Nonlinear Interactions of Three Wave Packets in an Inhomogeneous Medium. // Phys. Rev. Lett.- 1977.- V. 39.- No. 5.- P. 245.

6. V. Krylov, A. Rebane, D. Erni, O. Ollikainen, U. Wild, V. Bespalov, D. Staselko. Stimulated Raman amplification of femtosecond pulses in hydrogen gas. // Opt. Lett.- 1996.- V. 21(24) .- P. 2005-2007.

7. Джиджоев M. С., Михеев П. M., Платоненко В. Т., Савельев А. В. Численное моделирование ВКР-преобразования фемтосекундных УФ импульсов. // Квантовая электроника.- 1997.- Т. 24.- No. 3.- С. 255-259.

8. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика. // Изд. "Мир".- 1996.- Москва.

9. Hellwarth R.W. Theory of Stimulated Raman Scattering. // Phys. Rev.- 1963.-V. 130.- P.1850-1852.

10. W. Kaiser and M. Maier. Stimulated Rayleigh, Brillouin, and Raman spectroscopy. // Laser Handbook.- 1972.- V. 2.

11. M. Maier, W. Kaiser, and J. A. Giordmaine. Intense light bursts in the stimulated Raman effect. // Phys. Rev. Lett.- 1966.- V. 17.- P. 1275-1277.

12. M. Maier, W. Kaiser, and J. A. Giordmaine. Backward stimulated Raman scattering. // Phys. Rev.- 1969.- V. 177.- P. 580-590.

13. W. H. Culver, J. T. A. Vanderslice, and V. W. T. Townsend. Controlled generation of intense light pulses in reverse-pumped Raman lasers. // Appl. Phys. Lett.- 1968.- V.- 12. P. 189-190.

14. R. V. Johnson and J. H. Marburger. Relaxation oscillations in stimulated Raman scattering. // Phys. Rev.- 1971.- V. А4,- P. 1175-1182.

15. R. W. Minck, E. E. Hagenlocker, and W. G. Rado. Simultaneous occurrence of and competition between stimulated optical-scattering processes in gases. // J. Appl. Phys.- 1967.- V. 38.- P. 2254-2260.

16. G.I. Kachen, Jr. Spatial and temporal characteristics of collimated and focused traveling wave Raman amplifiers. // Lawrence Livermore Lab. Rep.- 1975.- UCRL 51753.

17. N. Bloembergen. Nonlinear Optics: New York: Benjamin, 1965; Y. R. Shen and N. Bloembergen. Theory of stimulated Brillouin and Raman scattering. // Phys. Rev.- 1965.- V. A137.- P. 1787-1805.

18. P. Lallemand. The stimulated Raman effect. // The Raman effect. Dekker, New York: ed. by A. Anderson.- 1971.- V. 1.- Ch. 5.

19. J. J. Ewing, R. A. Haas, J. C. Swingle, E. V. George, and W. F. Krupke. Optical pulse compressor systems for laser fusion. // IEEE J. Quantum Electron.-1979.- V. QE-15.- P. 368-379.

20. J. P. Partanen and M. J. Shaw. High power forward Raman amplifiers employing low pressure gases in light guides. I. Theory and applications. // J. Opt. Soc. Am. В.- 1986.- V. 3.- No. 10.- P. 1374-1389.

21. J. Shaw et al. High power forward Raman amplifiers employing low pressure gases in light guides. II. Experiments. // J. Opt. Soc. Am. В.- 1986.- V. 3.- No. 10.-P. 1466-1475.

22. Everall N.J., Partanen J.P., Barr J.R.M., Shaw M.J. Treshold measurements of stimulated Raman scattering in gases using picosecond KrF laser pulses. // Opt. Commun.- 1987.- V. 64.- No.4.- P. 393-397.

23. Duncan M.D., Mahon R., Tankersley L.L., Reintjes J. Rotational Raman gain suppresion in H2. // Opt. Commun.- 1987.- V. 64.- No. 5.- P. 467-473.

24. Duncan M.D., Mahon R., Tankersley L.L., Reintjes J. Transient stimulated Raman amplification in hydrogen. // J. Opt. Soc. Am. В.- 1988.- V. 5.- No. 1.-P.1859-1869.

25. Colles M.J. Ultrashort pulse formation in a short-pulse-stimulated Raman oscillator. // Appl. Phys. Lett.- 1971.- V. 19.- No. 2.- P. 23-25.

26. May P.G., Sibbett W. Transient stimulated Raman scattering of femtosecond laser pulses. // Appl. Phys. Lett.- 1983.- V. 43.- No. 7.- P. 624-626.

27. Ueda K., Nishioka H., Kimura K., Takuma H. Advanced techniques of high-efficiency pulse compression for KrF lasers. // Laser and Particle Beams.- 1993.-V. 11.-No. 1.-P. 31-42.

28. Nishioka H., Kimura K., Ueda K., Takuma H. High compression ratio backward Raman conversion for high brightness excimer laser system. // IEEE J. of Quant. Electron.-. 1993.- V. 29.- No. 7.- P. 2251-2257.

29. Wang J., Siegel Y., Lii C., Mazur E., Reintjes J. Sub-picosecond stimulated Raman scattering in high-pressure hydrogen. // J. Opt. Soc. Am. В.- 1994.- V. 11.-P. 1031-1037.

30. Krylov V., Rebane A., Erni D., Ollikainen O., Wild U., Bespalov V., Staselko D. Stimulated Raman scattering in hydrogen by frequency-doubled amplifiedfemtosecond TirSapphire laser pulses. // Opt. Lett. 1996.- V. 21.- No. 24.- P. 381383.

31. Ogata К., Kawano Н., Hirakawa Y., Imasaka Т. Effect of laser wavelength on the generation efficiency of stimulated Raman emission in the femtosecond regime. // Jpn. J. Appl. Phys.- 1997.- Part. 1.- V. 36.- No. 10.- P. 6376-6379.

32. Krylov V., Ollikainen O., Wild U., Rebane A., Bespalov V.G., Staselko D.I. Femtosecond stimulated Raman scattering in pressurized gases in the ultraviolet and visible spectral ranges. // JOSA В.- 1998.- V. 15.- No. 12,- P. 29102916.

33. Беспалов В.Г., Стаселько Д.И., Ефимов Ю.Н., Крылов В.Н., Ребанэ А., Эрни Д., Олликайнен О., Вилд У. Сверхрегенеративное ВКР усиление фемтосекундных импульсов в сжатом водороде. // Опт. и спектр.- 1998.- Т. 85.- No. 2.- С. 338-346.

34. Беспалов В .Г., Вилд У., Крылов В.Н., Олликайнен О., Ребанэ А., Стаселько Д.И. Генерация фемтосекундных импульсов света в УФ и видимом диапазонах спектра при ВКР в сжатых газах. // Опт. и спектр.-1998.-Т. 85.-No. 2.- С. 329-337.

35. Klewitz S., Sogomonian S., Woerner M., et al. Stimulated Raman scattering of femtosecond Bessel pulses. // Opt. Commun.- 1998.- V. 154.- No. 4.- P. 186-190.

36. Krylov V., Fisher I., Bespalov V.G., Staselko D.I., Rebane A. Transient stimulated Raman scattering in gas mixtures. // Opt. Lett.- 1999.- V. 24.- No. 22.-P. 1623-1625.

37. Kawano H., Hirakawa Y., Imasaka T. Generation of more than 40 rotational Raman lines by picosecond and femtosecond Ti:sapphire laser for Fourier synthesis. // Appl. Phys. B: Lasers Opt.- 1997.- V. 65.- No. 1.- P. 1-4.

38. Koprinkov I.G., Suda A., Wang P.Q., et al. High-energy conversion efficiency of transient stimulated Raman scattering in methane pumped by the fundamental of a femtosecond Ti:sapphire laser. // Opt. Lett.- 1999.- V. 24.- No. 18.- P. 13081310.

39. Kalosha V.P., Herrmann J. Phase relations, quasicontinuous spectra and subfemtosecond pulses in high-order stimulated Raman scattering with short-pulse excitation. // Phys. Rev. Lett.- 2000.- V. 85.- No. 6.- P. 1226-1229.

40. Vysloukh V.A., Marti-Panameno E. Resonant Raman perturbations of the femtosecond soliton parameters. // Opt. Commun.- 2001.- V. 198.- No. 1-3.-P. 171-176.

41. Coen S., Chau A.H.L., Leonhardt R., Harvey J.D., Knight J.C., Wadsworth W.J, Russell P.S.J. Supercontinuum generation by stimulated Raman scattering and parametric four-wave mixing in photonic crystal fibers. // JOSA В.- 2002.-V. 19.-No. 4.-P. 753-764.

42. Kapjak C.E., James C.R., McMullin J.N. // J. Appl. Phys.- 1982.- V. 53.-P. 4046.

43. Андреев А.А., Сутягин A. H. // Квант, электрон.- 1989.- Т. 16.- No. 12.-C. 2457.

44. Malkin V. M., Shvets G., Fisch N. J. Detuned Raman Amplification of Short Laser Pulses in Plasma. // Phys. Rev. Lett.- 2000.- V. 84.- P. 1208.

45. Malkin V. M., Shvets G., Fisch N. J. Ultra-powerful compact amplifiers for short laser pulses. // Phys. Plasmas.- 2000.- V. 7.- No. 5.- P. 2232-2240.

46. Ping Y., Geltner I., Fisch N.J., Shvets G., Suckewer S. Demonstration of ultrashort laser pulse amplification in plasmas by a counterpropagating pumping beam. // Phys. Rev. E.- 2000.- V. 62.- R4532-R4535.

47. Ping Y., Geltner I., Fisch N.J., Shvets G., Suckewer S. Raman amplification of ultrashort laser pulses in microcapillary plasmas. // Phys. Rev. E.- 2002.- V. 66.-P. 046401.

48. Ping Y., Geltner I., Suckewer S. Raman backscattering and amplification in a gas jet plasma. // Phys. Rev. E.- 2003.- V. 67.- P. 016401.

49. Ping Y., Cheng W., Suckewer S., Clark D. S., Fisch N. J. Amplification of Ultrashort Laser Pulses by a Resonant Raman Scheme in a Gas-Jet Plasma. // Phys. Rev. Lett.- 2004.- V. 92.- No. 17.- P. 175007.

50. Yermolayeva E. V., Bespalov V. G. Forward SRS compression-amplification of femtosecond pulses. // Proc. SPIE.- 2001.- V. 4268.- P. 117-122.

51. W.K. Bischel, M.J. Dyer. Wavelength dependence of the absolute Raman gain coefficient for the Q(l) transition in H2. // J. Opt. Soc. Am. В.- 1986.- V. 3.- No. 5.-P. 677-682.

52. Андреев A.A., Беспалов В.Г., Ермолаева E.B., Salomaa R.R.E. Компрессия сверхмощных лазерных импульсов в неоднородной плазме при обратном вынужденном комбинационном рассеянии. // Оптика и спектроскопия.-2007.-Т. 102.-No. 1.- С.113-120.

53. Andreev A.A. Generation and Application of Ultra-High Laser Fields. // N.Y.: NOVA Science Publishers.- 2001.

54. Горбунов B.A., Паперный C.B., Старцев B.P. // Квант, электрон.- 1983.Т 10.-No. 7.- С. 1386.

55. Захаров В.Е., Манаков С.В. О резонансном взаимодействии волновых пакетов в нелинейных средах. // Письма в ЖЭТФ.- 1973.- Т. 18.- No. 7.-С. 413.

56. Каир D.J. The three-wave interaction A nondispersive phenomenon. // Stud. Appl. Math.- 1976.- V. 55,- P. 9.

57. Andreev A.A., Bayanov V.I., Vankov A.V. et al. Study of a Plasma Diffraction Grating Induced by Superstrong Crossed Laser Beams. // Int. Conf. "Superstrong Field in Plasma".- Varenna.- 1997.- P. 61.

58. N. Zhavoronkov, F. Noack, V. Petrov et al. Chirped-pulse stimulated Raman scattering in barium nitrate with subsequent recompression. // Optics Letters.-2001.- V. 26.- No. l.-P. 47-49.

59. R.G. Zaporozhenko, S.Ya. Kilin, V.G. Bespalov, D.I. Stasel'ko // Optics and Spectroscopy.- 1999.- V. 86.- No. 4.- P. 563-570.

60. R. L. Carman, F. Shimizu, C. S. Wang, N. Bloembergen. Theory of Stokes Pulse Shapes in Transient Stimulated Raman Scattering. // Physical Review A.-1970.-V. 2.-No. l.-P. 60-62.

61. Schoulepnikoff L., Mitev V. Numerical method for the modeling of high-gain single-pass cascade stimulated Raman scattering in gases. // J. Opt. Soc. Am. B.-1997.-V. 14.-No. 1.

62. Ярив А. Квантовая электроника и нелинейная оптика: Пер. с англ. М., Советское радио,- 1973.